Опасен, но полезен. Ацетилен поставят на службу энергетике.

— Отчасти благодаря такому свойству этот газ и получил признание в различных отраслях. 

В отличие от многих других горючих и взрывчатых веществ ацетилен не природное ископаемое и может быть получен только косвенным путем. Когда начали наращивать его объемы в системах хранения, столкнулись с явлением самопроизвольного взрыва. Причем в отсутствии кислорода, что говорит об ином физическом механизме выделения энергии, отличном от классического химического взрыва, подразумевающего реакцию окисления. 

За более чем полувековую историю вопроса благодаря многосторонним исследованиям удалось сформулировать принципиальный физико-химический механизм бескислородного взрыва ацетилена. Состоит он в том, что этот газ в результате внешнего воздействия распадается и продукты его распада способны, взаимодействуя друг с другом, формировать углеродные кластеры. 

В свою очередь, эти кластеры вырастают до наноразмерных углеродных частиц. В какой-то мере идет процесс, обратный синтезу ацетилена, и происходит он с выделением тепловой энергии. В зависимости от условий инициирования могут осуществляться различные режимы теплового взрыва. 

Ученые сегодня думают о том, как использовать явление бескислородного взрыва в энергетике. Тем более что остро стоит вопрос о поиске альтернативного топлива с лучшими экологическими характеристиками использования. И в этом смысле режимы сжигания углеводородного топлива без участия кислорода выглядят весьма заманчивыми, так как из состава продуктов реакции исключаются окислы углерода и азота, нормативы по концентрации которых заложены в основу современных экологических стандартов. Задача использования бескислородного взрыва ацетилена в энергетике требует дополнительного изучения самого явления и особенностей его развития внутри камер сгорания.

— Я занимаюсь компьютерным моделированием тепловых и динамических процессов, развивающихся в момент бескислородного взрыва ацетилена. В перспективе такие виртуальные модели можно будет использовать для разработки энергетического цикла на основе бескислородного взрыва ацетилена при расчетно-теоретическом сопровождении специализированных экспериментов. А в случае успешного запуска системы потребуется ее совершенствование, включая повышение энергоэффективности, в этом наши модели также будут играть немаловажную роль. 

Как я уже сказал, продукты взрыва — углеродные наночастицы. Их можно будет использовать для синтеза наноразмерных углеродных структур. В дальнейшем подходы к моделированию синтеза наночастиц можно обобщить и использовать для работы с любым произвольным углеводородом, а также с другим перспективным классом веществ — силанами (кремневодородами). Это откроет возможности для создания методики синтеза кремниевых наночастиц. 

Важно отметить, что механизм образования и роста наночастиц в процессе бескислородного взрыва ацетилена соответствует механизму формирования частиц сажи в пламени углеводородных топлив. Ацетилен — это промежуточный продукт реакции окисления углеводородного топлива, он определяет рост частиц сажи в области продуктов горения. Поэтому наши исследования также имеют ценность для фундаментальных исследований процессов классического горения.

— Как я уже говорил, сегодня происходит очередной ренессанс в области исследования бескислородного взрыва ацетилена. И связан он в том числе с возможностью использования энергии взрыва в энергетике и теплотехнике. Для решения этой задачи необходимо понимание динамических характеристик процесса. Пришло время рассматривать явление на новом уровне — в терминах газодинамической теории. Этот путь начат экспериментальной группой Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) под руководством академика Владимира Евгеньевича Фортова и профессора Александра Викторовича Еремина. 

Один из наиболее ярких экспериментальных результатов — наблюдение в динамике развития бескислородного взрыва ацетилена в среде, сжатой ударными волнами. В зависимости от условий эксперимента наблюдалось несколько базовых режимов развития взрыва, включая детонационно-подобный, характеризующийся самоподдерживаемым сверхзвуковым распространением взрыва. 

В рамках классической теории горения и взрыва я и мои коллеги, работающие в лаборатории математического моделирования ОИВТ РАН, систематически исследовали подобные режимы методами численного моделирования для горючих газообразных смесей. Эта работа позволила пересмотреть ряд эмпирических концепций, мы сформулировали фундаментальные физические механизмы, определяющие развитие нестационарных режимов горения и взрыва. 

Уникальный опыт, полученный при изучении режимов развития взрыва газообразных горючих, позволил выявить аналогии и дать предварительную интерпретацию наблюдаемых процессов. Это и было положено в основу нового подхода, который мы сейчас разрабатываем. Его суть в расчетно-теоретическом изу­чении особенностей тепловых и динамических процессов, определяющих развитие бескислородного взрыва ацетилена и сопутствующих ему. 

До сегодняшнего дня изучение этого явления ограничивалось исследованием кинетики безотносительно к развитию динамических процессов. Это позволило выявить ведущие механизмы, определяющие рост наночастиц и связанное с этим высвобождение энергии, что мы используем для построения математических моделей. 

В мире, и в России в том числе, много квалифицированных специалистов в области кинетики (Павел Теснер, Вадим Кнорре, Анатолий Крестинин, Павел Власов, Хайнц Георг Вагнер, Михаэль Френклах и многие другие), которые внесли значительный вклад в понимание процессов распада ацетилена и роста частиц сажи. Однако работы над проблемой газодинамики бескислородного взрыва ацетилена только начинаются.

— Ее основа — молодые сотрудники лаборатории математического моделирования ОИВТ РАН (как и я сам), выпускники кафедры физики МГТУ им. Н.Э.Баумана и ученики профессора Михаила Федоровича Иванова, передающего нам свой уникальный опыт в области математического моделирования и в понимании физической природы изучаемых нами явлений. Тесную связь поддерживаем с экспериментальной группой, работающей в области кинетики под руководством Александра Викторовича Еремина. Контактируем с группами из Института химической физики им. Н.Н.Семенова, имеющими бесспорный приоритет в понимании кинетики развития взрывных процессов. Запланировано сотрудничество с дружественной экспериментальной группой из Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова (Минск).

— Разумеется, расчеты с использованием достаточно сложных математических моделей, описывающих и кинетику взрыва, и развивающиеся газодинамические течения, требуют достаточно больших ресурсов. Поэтому один из основных инструментов у нас — суперкомпьютеры коллективного пользования. Сейчас имеем доступ и активно пользуемся ресурсами Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН и суперкомпьютера “Ломоносов-1” (факультет вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В.Ломоносова). Мы разработали уникальную программную платформу для решения широкого круга задач газодинамики взрыва с применением различных выбираемых оператором математических моделей и вычислительных алгоритмов. В основу платформы заложен приобретенный в ходе наших исследований опыт по численному моделированию и интерпретации широкого класса физических процессов, определяющих горение и взрыв.